什么是運(yùn)放的軌至軌特性？

跟隨器電路：

前級采樣電阻上的采樣電壓 VI_AMP_IN 經(jīng) U6 的跟隨作用 VI_AMP_OUT 送至 ADC 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

U6 在此處的作用：減輕“負(fù)載效應(yīng)”提高采集精度。D3，D4 為運(yùn)放的輸入保護(hù)二極管，當(dāng)輸入異常電壓比電源電壓還要高 VF（二極管正向?qū)▔航担┗蛘弑鹊仉娢坏?VF時，二極管將會導(dǎo)通鉗位。

1、LMV831 的主要特性

• 其一，該運(yùn)放輸入誤差電壓 VOS最大為 1mV，有利于提高整體精度；

• 其二，由于采用 CMOS 工藝，輸入偏置電流低至 0.1pA，故不需要在消除偏置電壓上花費(fèi)額外精力；

• 其三，輸出驅(qū)動電流達(dá)到 30mA，很適合與 ADC 配合使用；

• 其四，該運(yùn)放在 1.8GHz 的頻率下 EMIRR 高達(dá) 120dB，這一特性有利于抵抗板上射頻模塊的干擾；

• 其五，軌至軌輸出，在單電源供電條件下非常重要。

2、輸出特性

從上表可以看出負(fù)載越重，運(yùn)放輸出軌至軌特性越差，但因為本次案例運(yùn)放后級是連接低速 ADC，因此負(fù)載很輕，取表中的 6mV（VOH）和 5mV（VOL）作為典型值即可。

單電源供電條件下，會將負(fù)載電阻 RL接至 V+/2，實則是以 V+/2 作為虛擬地。

3、仿真驗證

建立仿真電路如下：

如 Figure 1-2 所示，將 LMV831 搭成放大倍數(shù)為 2 的同相放大器，同時輸入幅值為 5V，頻率為 10Hz 的三角波（為了能讓輸出飽和），仿真結(jié)果如 Figure 1-3 所示，顯然，輸出幅度非常接近 LMV831 的供電電壓 4.5V，量得幅值為 4.49V（梯形波形的平臺部分），波形下端也接近 0V，從而證實了該運(yùn)放的軌至軌輸出特性。

4、軌到軌，還有細(xì)節(jié)需要注意

ADC 的可接受電壓范圍為 0~4.096V，而現(xiàn)在 LMV831 搭成的跟隨器可以支持 0~4.49V 的輸出，似乎萬事俱備，若前級采樣電壓也是 0~4.096V 范圍（即運(yùn)放輸入電壓），整個電路堪稱完美！然而，直覺告訴我，事情肯定沒這么簡單。我突然想起當(dāng)初選型時，TI 的運(yùn)放篩選條件下，有一個 Rail-to-Rail選項：

這個選項從左到右分別為：輸入軌至軌，輸出軌至軌，輸入到正軌，輸入到負(fù)軌——等等，那么 LMV831 是否支持軌至軌輸入？我滿懷期待，然而遺憾的是，LMV831 數(shù)據(jù)手冊并未提及輸入是否也是軌至軌，進(jìn)一步查閱發(fā)現(xiàn)該運(yùn)放在 3.3V 供電時，共模輸入范圍為-0.1V~2.1V！也就是說3.3V供電的時候，LMV831 是不支持軌至軌輸入的！

5、輸入特性

運(yùn)放的共模輸入范圍與供電電壓密切有關(guān)，電壓越高，輸入范圍越大。為了驗證 4.5V 供電電壓下的最高不失真輸入電壓，搭建了 Figure 1-4 所示的仿真電路。

對該電路執(zhí)行“參數(shù)仿真”，分別測試供電電壓為 3.3V、3.9V、4.5V 下的輸出電壓，如 Figure 1-5 所示，三角波為輸入波形，3 個類似等腰梯形的波形為運(yùn)放輸出，其中，暗黃色為 4.5V 供電電壓時的輸出，綠色對應(yīng) 3.9V 供電電壓，紫色對應(yīng) 3.3V 供電電壓。

顯而易見：

第一，LMV831 并非軌至軌輸入；

第二，該運(yùn)放的共模輸入范圍隨供電電壓的提高而擴(kuò)大，在 4.5V 供電電壓下跟隨器（增益為 1）最大輸出電壓約為 3.39V，也即最大輸入電壓為 3.39V。簡言之，4.5V 供電電壓下，LMV831 的最大共模輸入電壓（不失真）為 3.39V。

在得知這個真相之后，一方面將運(yùn)放的供電電壓從 3.3V 提高到 4.5V,提高輸出的范圍，另一方面將采樣電阻值改小，從而讓最大采樣電壓小于 3.39V，從而規(guī)避了改板的風(fēng)險！

6、實際驗證

實際產(chǎn)品中用了 91:34 的電阻對輸入 0~10V 進(jìn)行分壓，分壓再經(jīng)電壓跟隨器送至 ADC 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，分別測量電阻采樣電壓、運(yùn)放輸入端電壓、運(yùn)放輸出端電壓、A/D 轉(zhuǎn)換電壓，繪出 Figure 1-6。

留意表格 1-2 的數(shù)據(jù)，隨著運(yùn)放輸入電壓緩慢接近“閾值”，傳遞誤差急劇增加，當(dāng)輸入電壓為 3.9954V 時，運(yùn)放索性飽和輸出 4.5460V！通過繪制圖表 Figure 1-6 可以很明顯觀察到這個現(xiàn)象，從而證實了猜想。實際上我的目的也達(dá)到了，因為我只需要 0~12V 外部輸入時線性度滿足 0.2% F.S 就足夠了。